El nuevo misterio del visitante interestelar 3I/ATLAS es matemáticamente imposible

Las interacciones químicas de los átomos vienen dictadas por el número de electrones que poseen. La nube de electrones que rodea el núcleo atómico equilibra la carga del núcleo, que es proporcional al número de protones que contiene. Dado que la carga del electrón es igual a la del protón, el número de electrones en un átomo neutro es igual al número de protones y dictan el comportamiento químico del átomo. Sin embargo, los núcleos atómicos también pueden contener neutrones, que son eléctricamente neutros. Los núcleos estables suelen tener un número similar de protones y neutrones, pero pueden tener variantes con un excedente o un déficit de unos pocos neutrones. Los isótopos son átomos con núcleos que tienen un número idéntico de protones, pero un número diferente de neutrones. La abundancia relativa de diferentes isótopos del mismo elemento depende de los canales de producción locales, como la explosión de estrellas de diferentes masas, la distancia a la fusión histórica más cercana de estrellas de neutrones o el bombardeo de núcleos por rayos cósmicos energéticos. El sistema solar se formó a partir de una nube de gas que fue enriquecida de manera uniforme por los mismos procesos locales. Como resultado de este origen específico, los isótopos hallados en la Tierra, otros planetas del sistema solar, asteroides o cometas, tienen proporciones de isótopos similares y sirven como huellas dactilares de los materiales del sistema solar. Mientras que las abundancias relativas de los elementos se pueden modificar mediante reacciones químicas que seleccionan a unos en relación con otros, la proporción de abundancia de isótopos de un elemento específico solo se puede modificar mediante procesos nucleares que requieren temperaturas superiores a diez millones de grados, que no se encuentran en planetas, asteroides o cometas.

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Dos nuevos artículos (publicados aquí y aquí) informan hoy sobre abundancias anómalas de isótopos en el material del que está compuesto el objeto interestelar 3I/ATLAS. El primer artículo, dirigido por Martin Cordiner, informa de que las mediciones de isótopos del 3I/ATLAS con el telescopio Webb revelan una composición que no se parece a la de ningún cuerpo del sistema solar. El agua en el 3I/ATLAS está enriquecida con deuterio, un isótopo del hidrógeno (un protón) cuyo núcleo contiene un protón y un neutrón, a un nivel de D/H = (0,95 ± 0,06) por ciento, que es más de diez veces mayor que en los cometas conocidos. Además, las proporciones de isótopos 12C/13C (141-191 para CO2 y 123-172 para CO) superan los valores típicos hallados en el sistema solar, así como en las nubes interestelares cercanas y en los discos protoplanetarios. Firmas isotópicas tan extremas indican la formación a temperaturas bajo cero inferiores a 30 grados Kelvin en un entorno relativamente pobre en metales, al principio de la historia de la galaxia de la Vía Láctea. Los astrónomos se refieren a los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio (que son reliquias del Big Bang) como "metales". Si se interpreta en función de los modelos de evolución química, la composición isotópica del carbono implica que el 3I/ATLAS se formó hace entre 10.000 y 12.000 millones de años. Por lo tanto, el 3I/ATLAS se interpreta en este artículo como un fragmento de un antiguo sistema planetario con una baja metalicidad.

Mapas de líneas espectrales para 3I/ATLAS, observados con el NIRSpec del telescopio Webb. Izquierda: agua (H2O) a 2,7 micrómetros; derecha: dióxido de carbono (CO2) a 4,3 micrómetros. El segundo artículo, dirigido por Cyrielle Opitom, informa de la medición de las proporciones de isótopos de carbono y nitrógeno en el 3I/ATLAS a partir de observaciones de la molécula de cianuro (CN), basándose en las observaciones con el Telescopio Muy Grande (VLT, por sus siglas en inglés) de Chile. Los datos implican una proporción 12C/13C de 147(+87/-40) y una proporción 14N/15N de 343(+454/-124). La proporción 14N/15N es más del doble del valor de aproximadamente 150 que se suele medir para los cometas del sistema solar. La proporción 12C/13C es marginalmente superior a los valores que se suelen medir para los cometas del sistema solar y en el medio interestelar. Al igual que en el primer artículo, los autores concluyen aquí que sus mediciones podrían indicar un origen en una estrella antigua de baja metalicidad. Sin embargo, ambos artículos no se percatan de que un origen de baja metalicidad para el 3I/ATLAS genera una tensión insostenible con su masa y abundancia inferidas. El análisis de los últimos datos del telescopio espacial Hubble sobre el 3I/ATLAS (del que se informa aquí) sugiere un radio del núcleo de aproximadamente 1,3 kilómetros y una densidad numérica de aproximadamente 0,007 por unidad astronómica (UA) al cubo (donde la UA es la separación entre la Tierra y el Sol). Esto implica 30 billones de objetos y una masa total de 100 masas terrestres dentro del volumen de la nube de Oort hasta 100.000 UA alrededor del Sol, lo que supone aproximadamente la mitad de la distancia hasta la estrella más cercana, Próxima Centauri.

Relaciones isotópicas observadas en la columna de gas alrededor de 3I/ATLAS en comparación con las observaciones de la Vía Láctea y el Sistema Solar para la relación deuterio (neutrón más protón) a hidrógeno (un solo protón): D/H. Solo una décima parte de todas las estrellas del disco grueso de la Vía Láctea tiene una metalicidad que es 10 veces inferior al valor solar (como se debate aquí). Al restringir la población de origen del 3I/ATLAS a estas estrellas de baja metalicidad, descubro que cada una de estas estrellas de baja metalicidad debe producir 1.000 masas terrestres en objetos del tamaño del 3I/ATLAS. La mayor parte del material de la nube de gas que rodea al 3I/ATLAS está compuesto de moléculas a base de carbono u oxígeno (como se informa aquí), lo que sugiere que el objeto está compuesto de elementos pesados, considerados como metales.

Relaciones isotópicas observadas en la columna de gas alrededor de 3I/ATLAS en comparación con las observaciones de la Vía Láctea y el Sistema Solar para la relación deuterio (neutrón más protón) a hidrógeno (un solo protón): isótopo de carbono Este cálculo del presupuesto de masa requiere la producción de 0,003 masas solares en objetos similares al 3I/ATLAS por estrella. Sin embargo, las estrellas de masa solar con una décima parte de la metalicidad solar solo tienen 0,002 masas solares en elementos pesados en su interior. Además, se espera que sus sistemas planetarios, que sirven como lugares naturales de nacimiento de los objetos interestelares, se originen en discos de escombros que contienen al menos diez veces menos masa que la estrella anfitriona. Además de eso, se espera un espectro de masa de objetos interestelares expulsados con al menos diez veces más masa en objetos con masas que son órdenes de magnitud diferentes a las del 3I/ATLAS (como se debate aquí). Este cálculo implica que a las estrellas de baja metalicidad les falta el presupuesto de masa necesario por al menos dos órdenes de magnitud y no pueden dar cuenta de la población interestelar de objetos similares al 3I/ATLAS ni siquiera si expulsaran todos sus elementos pesados al espacio interestelar. Cuantos más datos obtenemos sobre el 3I/ATLAS, más desconcertante parece. Como dijo Forrest Gump en la película de 1994: "La vida es como una caja de bombones, nunca sabes lo que te va a tocar".

El telescopio espacial Hubble ha capturado nuevas imágenes del cometa interestelar 3I/ATLAS. (NASA, ESA, STScI, D. Jewitt (UCLA) y J. DePasquale (STScI)) La discrepancia en el presupuesto de masa de 3I/ATLAS En un nuevo artículo (disponible aquí), demuestro que el radio y la densidad numérica interestelar de objetos similares al 3I/ATLAS deducidos recientemente implican una densidad de masa local que es mayor por órdenes de magnitud que la reserva disponible de elementos pesados encerrados en estrellas de baja metalicidad. Esta asociación fue sugerida por recientes mediciones de abundancia de isótopos. O bien el radio o la densidad numérica inferidos están sobreestimados o la asociación con estrellas pobres en metales es incorrecta. El objeto interestelar 3I/ATLAS ofrece nuevos conocimientos sobre la reserva de masa de los sistemas planetarios a través de la galaxia de la Vía Láctea. Los últimos datos del telescopio espacial Hubble (reportados aquí) se utilizaron para deducir un radio del núcleo de R_n = 1,3 ± 0,2 km y una densidad numérica interestelar de n ∼ 7 × 10^{−3} au^{−3} (donde au es la separación entre la Tierra y el Sol). Para una densidad típica del núcleo de ρ_n ≈ 0,5 g/cm^3, el radio inferido implica una masa del núcleo de m_n ≈ (4π[R_n]^3ρ_n/3) = 4,6×10^{15} g. Por lo tanto, la densidad de masa interestelar local de la población de objetos similares al 3I/ATLAS es ρ_{3I} ≈ n×m_n = 10^{−26} g/cm^3. Dos artículos recientes (publicados aquí y aquí) informaron de abundancias anómalas de isótopos en el material que compone el 3I/ATLAS. Basándose en observaciones del JWST, Cordiner et al. (2026) encontraron una composición de isótopos que no se parece a la de ningún cuerpo del sistema solar. El agua del 3I/ATLAS está enriquecida en deuterio a un nivel de D/H = (0,95 ± 0,06) por ciento, que es un orden de magnitud superior al de los cometas conocidos, lo que sugiere un origen pobre en metales. Además, las proporciones de isótopos 12C/13C (141-191 para CO2 y 123-172 para CO) superan los valores típicos hallados en el sistema solar, así como en los discos protoplanetarios cercanos. Los modelos de evolución química implican que la composición isotópica del carbono se originó hace entre 10.000 y 12.000 millones de años. A una conclusión similar llegaron Opitom et al. (2026), que informaron de mediciones de las proporciones de isótopos de carbono y nitrógeno en el 3I/ATLAS a partir de observaciones de la molécula de cianuro (CN) por el VLT. Estos datos sugieren una proporción 12C/13C de 147 (+87/−40) y una proporción 14N/15N de 343(+454/-124), más del doble del valor de ∼ 150 que se suele medir para los cometas del sistema solar.

Imagen de los jets de 3I/Atlas procesada y mejorada con inteligencia artificial. A continuación, demuestro que un origen de baja metalicidad para el 3I/ATLAS genera una tensión insostenible con el presupuesto de masa inferido de la población de objetos interestelares del 3I/ATLAS. La órbita galáctica del 3I/ATLAS sugiere un probable origen en el disco de la Vía Láctea. La composición de la coma del 3I/ATLAS en términos de moléculas a base de carbono, oxígeno y nitrógeno implica que la mayor parte de su masa está asociada con elementos pesados. Como referencia, la densidad de masa galáctica de las estrellas en la vecindad del Sol es ρ_⋆ ≈ 0,04M_⊙ pc^{−3} = 2,7 × 10^{−24} g/cm^3. Solo una décima parte de todas las estrellas del disco de la Vía Láctea tiene metalicidades inferiores a una décima parte del valor solar. Si consideramos esas estrellas pobres en metales como la población de origen sugerida del 3I/ATLAS y adoptamos que su fracción de masa metálica es de ∼ 2 × 10−3, hallamos que la densidad de masa local correspondiente de elementos pesados en ellas es ρ_z ≈ 2×10^{−3}×0,1×ρ_⋆ = 5,4×10^{−28} g/cm^3. Dado que ρ_z ∼ 0,05ρ_{3I}, concluimos que la densidad de masa total de los elementos pesados encerrados en estrellas de baja metalicidad es más de un orden de magnitud inferior a la densidad de masa requerida en objetos interestelares como el 3I/ATLAS.

Avi Loeb es jefe del proyecto Galileo, director fundador de la Iniciativa Black Hole de la Universidad de Harvard, director del Instituto para la Teoría y la Computación del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian y autor del bestseller Extraterrestrial: The first sign of intelligent life beyond earth. También puedes comprar aquí el nuevo libro del profesor Loeb, Interstellar.

Los sistemas planetarios, que sirven como lugares naturales de nacimiento de los objetos interestelares, se originan a partir de discos de escombros que contienen al menos diez veces menos masa que la estrella anfitriona. Además, se espera que un espectro de masa de objetos interestelares expulsados contenga al menos diez veces más masa en objetos con masas que son órdenes de magnitud diferentes a la del 3I/ATLAS. Cuando se incluyen estos factores adicionales, descubrimos que a las estrellas de baja metalicidad les falta el presupuesto de masa necesario en al menos 3 órdenes de magnitud. No pueden explicar la población interestelar de objetos similares al 3I/ATLAS a menos que sean capaces de expulsar al espacio interestelar más de mil veces el contenido de elementos pesados de sus discos planetarios. En conclusión, o bien el radio o la densidad numérica inferidos de la población de objetos similares al 3I/ATLAS están sobreestimados o su asociación con estrellas pobres en metales es incorrecta.